Abschlussprüfung 2021

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UntitledGesamtprüfungsdauer
Haupttermin Elektrizitätslehre I A1 1.1.0 Isabellin ist der Markenname einer Legierung aus Kupfer, Aluminium und
Mangan. In einem Versuch soll für Isabellindrähte gleicher Länge die Abhängigkeit
des elektrischen Widerstands R von der Querschnittsfläche A untersucht
werden.
Bei einer konstanten Spannung von 2,5 V ergeben sich folgende Messwerte:
A in mm2 0,20 0,40 0,60 1,00 1,20 I in A 0,66 1,3 1,9 3,3 3,9
1.1.1 Fertigen Sie eine geeignete Schaltskizze für den Versuch aus 1.1.0 an. 1.1.2 Stellen Sie in einer neuen Tabelle den jeweiligen Widerstand R der Drähte in
Abhängigkeit von der Querschnittsfläche A dar. Werten Sie die Tabelle numerisch aus und formulieren Sie das Versuchser- gebnis.
1.1.3 Berechnen Sie mithilfe der Auswertung aus 1.1.2 die Länge der verwendeten
Isabellindrähte, wenn der spezifische Widerstand von Isabellin dem von Kon- stantan entspricht.
1.2.0 Zwei Glühlämpchen L1 (9,0 V; 0,15 A) und
L2 (30 V; 0,050 A) sind zusammen mit ei- nem Widerstand R entsprechend neben- stehender Schaltskizze geschaltet. Die Spannung Uges der Elektrizitätsquelle ist so gewählt, dass die Lämpchen jeweils mit ihren Nenndaten betrieben werden.
1.2.1 Ermitteln Sie die Gesamtstromstärke Iges der Schaltung sowie die Ge-
samtspannung Uges.
1.2.2 Berechnen Sie den notwendigen Wert des Widerstands R. 1.2.3 Begründen Sie, dass ohne den Widerstand R das Glühlämpchen L1 nicht mit
voller Leistung betrieben werden kann.
1.2.4 In modernen technischen Geräten finden anstelle von Glühlämpchen haupt-
sächlich LEDs Verwendung. Nennen Sie zwei Vorteile von LEDs gegenüber Glühlämpchen.
Abschlussprüfung 2021
Lösungsvorschlag Physik Haupttermin Elektrizitätslehre I A1 Lösungen entsprechend dem Unterricht 1.1.1
K
R in Ω 3,8 1,9 1,3 0,76 0,64
R A in Ω mm2 0,76 0,76 0,78 0,76 0,77
B E K
Ergebnis im Rahmen der Messunsicherheit: R ~ 1A
1.1.3 R ⋅ A = 0,76+0,76+0,78+0,76+0,775 Ω ⋅ mm2 R ⋅ A = 0,77 Ω ⋅ mm2
E
= R ⋅ A ρ = 0,77 Ω ⋅ mm20,50 Ω ⋅ mm2m = 1,5 m
1.2.1 Gesamtstromstärke: Iges = I1 = 0,15 A E
Spannungsabfall an der Parallelschaltung: U2,R = U2 = 30 V
Uges = U1 + U2,R Uges = 9,0 V + 30 V Uges = 39 V
1.2.2 IR = 0,15 A − 0,050 A IR = 0,10 A E
R = U2IR R = 30 V0,10 A R = 0,30 kΩ 1.2.3 Die Betriebsstromstärke des Glühlämpchens L2 ist kleiner als die von L1.
Ohne den Widerstand R handelt es sich um eine Reihenschaltung, in der beide Glühlämpchen vom gleichen Strom durchflossen werden.
Um ein Durchbrennen von L2 zu vermeiden, darf die Gesamtstromstärke die Be- triebsstromstärke von L2 nicht überschreiten.
Somit wird das Glühlämpchen L1 maximal von einem Strom der Stärke 0,050 A durchflossen und daher mit verminderter Leistung betrieben.
K
120 Minuten
Haupttermin Elektrizitätslehre II A2 2.1.0 In einem Freifallturm (Freefall-Tower) wird eine Gondel mit
Fahrgästen nach einem Fall aus großer Höhe erst kurz vor dem Boden gebremst. Die Bremswirkung wird erreicht, indem an der Gondel be- festigte Permanentmagnete sehr nahe an Metallschienen aus einer Aluminiumlegierung vorbeigeführt werden.
2.1.1 Begründen Sie die starke Bremswirkung auf die Gondel
durch die Bewegung der Permanentmagnete entlang der Metallschiene.
2.1.2 Nennen Sie zwei Möglichkeiten, um die Bremswirkung zu
verstärken. 2.1.3 Geben Sie zwei Vorteile dieses Bremssystems im Vergleich zu einer mecha-
nischen Bremse mit Bremsbelägen an.
2.2.0 Zur Versorgung einer Stadt wird die vom Generator eines Kraftwerks bereit-
gestellte elektrische Leistung mithilfe von Transformatoren und einer Fernlei- tung dorthin übertragen.
2.2.1 Erstellen Sie eine beschriftete Schaltskizze für die Energieübertragung vom
Kraftwerk bis zum Versorgungsgebiet (Stadt).
2.2.2 Der Generator des Kraftwerks stellt eine elektrische Leistung von 650 MW be-
reit. Seine Ausgangsspannung wird mithilfe eines Transformators ( = 0,975) auf die Übertragungsspannung von 380 kV erhöht. Zeigen Sie rechnerisch, dass die Stromstärke IF in der Fernleitung 1,67 kA beträgt. [Teilergebnis: Ps = 634 MW]
2.2.3 Der Wirkungsgrad der Energieübertragung in der Fernleitung beträgt 95 %.
Berechnen Sie den Widerstand der Fernleitung.
M et
al ls
ch ie
Lösungsvorschlag Physik Haupttermin Elektrizitätslehre II A2 Lösungen entsprechend dem Unterricht 2.1.1 Bewegt sich die Gondel mit den Permanentmagneten nach unten, so tritt in den
Metallschienen vor und hinter jedem einzelnen Magneten eine Magnetfeldände- rung auf.
In den Metallschienen werden Wirbelströme induziert. Nach der Regel von Lenz sind die Wirbelströme so gerichtet, dass ihr Magnetfeld
der Ursache der Induktion (bewegte Permanentmagnete) entgegenwirkt. Unterhalb der Permanentmagnete wirken abstoßende Kräfte, darüber anzie-
hende Kräfte. Die Gondel wird abgebremst.
K
2.1.3 Wirbelstrombremsen sind verschleißfrei
B K
2.2.1
K
2.2.2 Ps = η ⋅ PP Ps = 0,975 650 MW Ps = 634 MW E
IF = PsUs IF = 634 MW380 kV IF = 1,67 kA
2.2.3 Pth = (1 − ηF) ⋅ Ps Pth = (1 − 0,95) ⋅ 634 MW Pth = 32 MW E
RF = PthIF2 RF = 32 MW(1,67 kA)2 RF = 11 Ω
~
Gesamtprüfungsdauer
Physik
Haupttermin Atom- und Kernphysik A3 3.1.0 In einem Versuch wird für eine Probe des radioaktiven Isotops Gold-198
(Au-198) die Aktivität A in Abhängigkeit von der Zeit t bestimmt. Es ergeben sich folgende Messwerte:
t in d 0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0
A in kBq 32,6 25,2 19,5 15,1 11,7 9,0 7,0 5,4
3.1.1 Stellen Sie die Messwerte grafisch dar. 3.1.2 Ermitteln Sie mithilfe des Diagramms aus 3.1.1 die Halbwertszeit von Au-198. 3.2.0 Zur Berechnung des Alters z. B. von Höhlenmalereien nutzen Forscher die
Uran-Thorium-Datierung, bei der das radioaktive Isotop Uran-234 (U-234) Verwendung findet.
3.2.1 Dieses zerfällt in mehreren Schritten zum stabilen Isotop Blei-206 (Pb-206).
Bestimmen Sie rechnerisch jeweils die Anzahl der α- und β-Zerfälle.
3.2.2 Begründen Sie, weshalb beim Zerfall von U-234 in Pb-206 das Isotop Polo-
nium-217 (Po-217) nicht auftreten kann.
3.2.3 Vergleichen Sie in einer Tabelle α- und β-Strahlung hinsichtlich ihrer Ionisie-
rungsfähigkeit und ihrer Reichweite in Luft.
3.2.4 Das Isotop U-234 wandelt sich zu einem Thoriumisotop um.
Geben Sie die dazugehörige Zerfallsgleichung an.
3.2.5 Die Halbwertszeit von U-234 beträgt 2,46 105 Jahre.
Berechnen Sie die prozentuale Abnahme der Aktivität des Isotops U-234 bei einer 4,4 104 Jahre alten Höhlenmalerei.
Abschlussprüfung 2021
Lösungsvorschlag Physik Haupttermin Atom- und Kernphysik A3 Lösungen entsprechend dem Unterricht 3.1.1
3.1.2
unsicherheit 2,7 d.
E
K
3.2.1 Insgesamt nimmt die Nukleonenzahl durch die radioaktiven Zerfälle um 28 ab.
Bei einem α-Zerfall nimmt die Nukleonenzahl um 4 ab. Damit ergibt sich für die
Anzahl der α-Zerfälle: 28 : 4 = 7.
Bei sieben α-Zerfällen verringert sich die Ordnungszahl (Kernladungszahl) um 14.
Die Ordnungszahl nimmt aber insgesamt nur um 10 ab.
Bei einem β-Zerfall nimmt die Ordnungszahl um 1 zu. Damit ergibt sich für die Anzahl der β-Zerfälle: 14 – 10 = 4.
B
K
3.2.2 Nur bei einem α-Zerfall verändert sich die Massenzahl des zerfallenden Isotops. Da die Massenzahl des Isotops U-234 gerade ist und sie sich durch einen α-Zer-
fall um vier verringert, müssen auch alle folgenden Tochterisotope geradzahlige Massenzahlen besitzen.
Die Massenzahl des Isotops Po-217 ist ungerade, weshalb es beim Zerfall von U-234 in Pb-206 nicht vorkommen kann.
E
K
K
3.2.5 A(t) = A0 ⋅ (12)tT A(4,4 ⋅ 104
a) = A0 ⋅ (12) 4,4 ⋅ 104 a2,46 ⋅ 105 a
A(4,4 ⋅ 104 a) = 0,88 ⋅ A0 E
Die Aktivität des U-234 nimmt um 12 % ab.
Abschlussprüfung 2021
120 Minuten
Haupttermin Energie A4 4.0 Die kanarische Insel El Hierro ver-
sucht seit 2014 einen hohen Pro- zentsatz ihrer Energieversorgung mithilfe erneuerbarer Energien ab- zudecken. Das Ziel soll dabei sein, die gesamte elektrische Energie durch ein ge- koppeltes Kraftwerk aus fünf Wind- kraftanlagen und einem Pumpspei- cherkraftwerk bereitzustellen.
4.1 Erläutern Sie einen Grund, weshalb es sinnvoll ist, die Windkraftanlagen mit
einem Pumpspeicherkraftwerk zu koppeln.
4.2 Geben Sie die Energieumwandlungskette einer Windkraftanlage bis zur Ein-
speisung der elektrischen Energie ins Netz an.
4.3 Dem Versorgungsnetz der Insel werden durchschnittlich 5,0 MW elektrische
Leistung entnommen. Zeigen Sie, dass damit pro Jahr eine elektrische Energie von 44 GWh benötigt wird.
4.4 Das Speicherbecken des Pumpspeicherkraftwerks ( = 0,78) fasst ein Was-
servolumen von maximal 3,8 105 m³. In einem Zeitungsinterview wird be- hauptet, bei anhaltender Windstille könne die Insel im Extremfall rund vier Tage mit der darin gespeicherten potenziellen Energie versorgt werden. Bewerten Sie anhand einer Rechnung diese Aussage.
4.5 Bis 2014 lieferte ein Dieselkraftwerk ( = 0,30) die gesamte elektrische Ener-
gie der Insel. In diesem wird bei der Bereitstellung von einer Kilowattstunde elektrischer Energie eine Masse von 0,27 kg CO2 freigesetzt. Berechnen Sie die Masse an CO2, die durch die Stilllegung des Dieselkraft- werks infolge der Nutzung von regenerativen Energien jährlich eingespart wer- den könnte.
4.6 Nennen Sie je einen Vorteil und einen Nachteil des gekoppelten Kraftwerks
aus 4.0 gegenüber der ursprünglichen Energieversorgung mit einem Diesel- kraftwerk.
h = 650 m
Lösungsvorschlag Physik Haupttermin Energie A4 Lösungen entsprechend dem Unterricht 4.1 Stellen die Windkraftanlagen einen Überschuss an elektrischer Energie bereit, so
kann diese dazu genutzt werden, um mit Pumpen Wasser in das höher gelegene Speicherbecken zu befördern.
Herrscht Windstille, so kann die benötigte elektrische Energie durch das Pump- speicherkraftwerk bereitgestellt werden.
B E K
4.2
Rotor
Generator
K
4.3 Eel = Pel ⋅ t Eel = 5,0 MW ⋅ 365 ⋅ 24 h Eel = 44 GWh E
4.4 mH2O = ρ ⋅ V mH2O = 0,998 kgdm3 ⋅ 3,8 ⋅ 108
dm3 mH2O = 3,8 ⋅ 108 kg E
Epot = m ⋅ g ⋅ h Epot = 3,8 ⋅ 108
kg ⋅ 9,81 Nkg ⋅ 650 m Epot = 2,4 ⋅ 1012
J
J Enutz = 1,9 ⋅ 1012 J
t = EnutzPnutz t = 1,9 ⋅ 106
MJ5,0 MW t = 3,8 ⋅ 105 s
t = 3,8 ⋅ 105 ⋅ 124 ⋅ 3600 d t = 4,4 d
Die im Zeitungsinterview getroffene Aussage ist korrekt. B
4.5 Ezu = Eelη Ezu =
eingesparte
Masse an CO2: mCO2 = 0,27 kgkWh ⋅ 1,5 ⋅ 108 kWh m = 41 ⋅ 106
kg
4.6 Vorteile: keine CO2-Emissionen im Betrieb Wind ist ein regenerativer Energie-
träger und damit quasi unerschöpf- lich verfügbar
Nachteile: Eingriff in die Natur z. B. durch Anle-
gen von Staubecken Abhängigkeit von Windverhältnissen
B
Gesamtprüfungsdauer
1.1.1 Nennen Sie zu jeder Kennlinie ein
mögliches Leitermaterial.
1.1.2 Treffen Sie mithilfe des Diagramms
eine begründete Aussage über den Widerstand des Leiters 2 bei zu- nehmender Spannung.
1.1.3 Nehmen Sie zu folgenden Aussa-
gen begründet Stellung:
A: Während des Versuchs wurde die Temperatur des Leiters 2 durch Küh- lung konstant gehalten.
B: Für den Leiter 1 gilt das Ohm’sche Gesetz. C: Unterhalb einer Spannung von 4,0 V ist der Widerstand von Leiter 1 ge-
ringer als der von Leiter 2.
1.2.0 In einem Schülerexperiment werden zwei Schaltungen gemäß nachfolgender
Schaltskizzen aufgebaut. In beiden Schaltungen sind zwei Widerstände (R1 = 100 , R2 = 50 ) und eine Experimentierlampe L (12,0 V; 150 mA) eingebaut. Die Gesamtspan- nung beträgt jeweils 12,0 V.
Schaltung 1 Schaltung 2 1.2.1 Vergleichen Sie die beobachtbare Helligkeit der Experimentierlampen in bei-
den Schaltungen. Begründen Sie Ihre Aussage.
1.2.2 Berechnen Sie den Gesamtwiderstand von Schaltung 1. 1.2.3 Ermitteln Sie in Schaltung 1 rechnerisch die Stärke des Stroms durch den Wi-
derstand R1.
Abschlussprüfung 2021
Lösungsvorschlag Physik Haupttermin Elektrizitätslehre I B1 Lösungen entsprechend dem Unterricht 1.1.1 Leiter 1: z. B. Konstantan
Leiter 2: z. B. Eisen
1.1.2 Der Widerstand des Leiters 2 steigt, da mit gleichmäßig zunehmender Spannung die
Zunahme der Stromstärke geringer wird. E K
1.1.3 Zu A: Diese Aussage ist nicht korrekt. Wird die Temperatur eines metallischen
Leiters durch Kühlung konstant gehalten, so ergibt sich im I(U)-Diagramm eine Ursprungsstrecke. Das ist hier nicht der Fall.
Zu B: Diese Aussage ist korrekt. Das Ohm´sche Gesetz lautet I ~ U. Dies ist für Leiter 1 erfüllt, da der Graph eine Ursprungsstrecke darstellt.
Zu C: Diese Aussage ist nicht korrekt. Bei Spannungswerten unterhalb von 4,0 V ist die jeweilige Stromstärke im Leiter 1 stets kleiner als im Leiter 2, weshalb sein Widerstand größer ist.
B K
1.2.1 Die Experimentierlampe in Schaltung 1 leuchtet heller als die Experimentierlampe in
Schaltung 2. Begründung:
In Schaltung 1 ist die Experimentierlampe parallel zur Reihenschaltung aus den beiden Widerständen R1 und R2 geschaltet.
An ihr fällt die gesamte Spannung der Elektrizitätsquelle ab, somit leuchtet sie mit ihrer vollen Helligkeit.
In Schaltung 2 ist die Experimentierlampe mit der Parallelschaltung aus den bei- den Widerständen R1 und R2 in Reihe geschaltet.
An dieser Parallelschaltung fällt ein Teil der Gesamtspannung ab.
Der Spannungsabfall an der Lampe ist folglich geringer als ihre Nennspannung, weshalb sie nicht mit ihrer maximalen Helligkeit leuchtet.
B E K
1.2.2 RL = ULIL RL = 12,0 V0,150 A RL = 80,0 E
R12 = R1 + R2 R12 = 100 + 50 R12 = 150 1Rges = 1R12 + 1RL
1Rges = 1150 + 180,0 Rges = 52,2
1.2.3 I1 = I12 = UgesR12 I1 = 12,0 V150 I1 = 80,0 mA E
Abschlussprüfung 2021
120 Minuten
Haupttermin Elektrizitätslehre II B2 2.1.0 Die nebenstehende Prinzipskizze stellt das
bargeldlose Bezahlen mit Bankkarte dar. Im Lesegerät befindet sich eine von Wech- selstrom durchflossene Spule 1. Die Bankkarte enthält einen Stromkreis aus einer Spule 2 und einem Mikrochip, auf dem die Informationen zur Identifikation ge- speichert sind.
2.1.1 Während des Auslesevorgangs findet eine Übertragung von elektrischer Ener-
gie von Spule 1 auf Spule 2 statt, wodurch im Stromkreis der Bankkarte ein Strom fließt. Beschreiben Sie das Zustandekommen dieses Stroms.
2.1.2 Nennen Sie zwei Veränderungen am Lesegerät, um die Reichweite der Ener-
gieübertragung zu vergrößern.
2.1.3 Zum Schutz vor dem Auslesen der Daten durch unbefugten Zugriff empfehlen
Geldinstitute, die Bankkarten in Aluminiumhüllen aufzubewahren. Begründen Sie, dass bei der Verwendung einer solchen Hülle im Stromkreis der Bankkarte die Stromstärke deutlich reduziert wird.
2.2.0 Für ein Demonstrationsexperiment
wird der skizzierte Transformator primärseitig mit dem Haushaltsnetz (U = 230 V) verbunden. Die Sekundärspule mit deutlicher weni- ger Windungen als die Primärspule ist durch einen Metallnagel kurzgeschlos- sen.
2.2.1 Kurz nach dem Schließen des Primärstromkreises glüht der Metallnagel.
Begründen Sie diese Beobachtung mithilfe der baulichen Unterschiede der Spulen.
2.2.2 Der Transformator besitzt einen Wirkungsgrad von 65 %. Im Sekundärkreis
fließt bei einer Spannung von 1,9 V ein Strom der Stärke 360 A. Berechnen Sie die Primärstromstärke.
2.2.3 Der Transformator besitzt einen „geblätterten“ Weicheisenkern, bestehend
aus vielen dünnen, gegeneinander isolierten Eisenblechen. Begründen Sie die „Blätterung“ eines solchen Eisenkerns.
Lesegerät Bankkarte
Spule 1
Spule 2
Lösungsvorschlag Physik Haupttermin Elektrizitätslehre II B2 Lösungen entsprechend dem Unterricht 2.1.1 • Der Wechselstrom in der Spule 1 erzeugt ein sich zeitlich änderndes Magnetfeld.
• Wenn die Bankkarte an das Lesegerät gehalten wird, durchsetzt das sich än- dernde Magnetfeld der Spule 1 die Spule 2 in der Bankkarte.
• Dort wird eine Wechselspannung induziert. • Da der Stromkreis durch den Chip geschlossen ist, fließt ein Induktionsstrom.
K
2.1.2 • Erhöhung der Magnetfeldstärke durch …
o Erhöhung der Windungszahl in der Spule 1 (bei gleicher Stromstärke) o Erhöhung der Spannung bei gleicher Windungszahl o Ergänzen eines Eisenkerns in Spule 1
• Erhöhung der Frequenz in Spule 1 (bei gleicher Magnetfeldstärke)
E K
2.1.3 • In der Aluminiumhülle werden Wirbelströme durch das von der Spule 1 verur-
sachte magnetische Wechselfeld induziert. • Nach der Regel von Lenz wirkt das von den Wirbelströmen hervorgerufene Mag-
netfeld dem magnetischen Wechselfeld der Spule 1 entgegen und schwächt die- ses.
• Dadurch wird in der Spule 2 eine deutlich geringere Spannung induziert, die einen kleineren Induktionsstrom zur Folge hat.
B E K
2.2.1 • Die sehr geringe Windungszahl der Sekundärspule im Vergleich zur Primärspule
(np >> nS) und ihr großer Drahtquerschnitt bewirken sekundärseitig eine hohe Stromstärke.
• Durch den hohen Stromfluss erwärmt sich der Metallnagel so stark, dass er glüht.
K
2.2.2 Ps = Us ⋅ Is Ps = 1,9 V ⋅ 360 A Ps = 0,68 kW E Pp = Psη Pp = 0,68 kW0,65 Pp = 1,0 kW
Ip = PpUp Ip = 1,0 kW230 V Ip = 4,3 A
2.2.3 Durch den geblätterten Weicheisenkern werden Wirbelströme deutlich reduziert, die
den Wirkungsgrad des Transformators verringern würden. K
Abschlussprüfung 2021
120 Minuten
Physik
Haupttermin Atom- und Kernphysik B3 3.0 Die 1977 gestartete Weltraumsonde Vo-
yager 2 hat durch vielfältige Messungen unser Wissen vom Sonnensystem erwei- tert und dieses im Jahr 2018 verlassen. Ihre Energieversorgung wird durch drei Radionuklidbatterien gewährleistet, die beim Start jeweils 4,50 kg des radioakti- ven Isotops Plutonium-238 (Pu-238) ent- hielten.
3.1 Die Radionuklidbatterien sind auf der entgegengesetzten Seite zu den Mess- instrumenten angebracht. Nennen Sie einen Grund dafür.
3.2 Pu-238 zerfällt unter Aussendung von α-Strahlung.
Geben Sie die zugehörige Zerfallsgleichung an.
3.3 Die Halbwertszeit von Pu-238 beträgt 87,7 Jahre.
Berechnen Sie das Jahr, in dem sich die an Bord der Weltraumsonde befind- liche Gesamtmasse des Pu-238 auf 3,40 kg verringert hat.
3.4 Beim Zusammenbau der Radionuklidbatterien müssen die Ingenieure Sicher-
heitsmaßnahmen im Umgang mit dem Plutonium ergreifen. Nennen Sie zwei solcher Maßnahmen.
3.5 Ein Mitarbeiter (m = 75 kg) absorbiert bei der Montage einer Radionuklidbat-
terie mit Pu-238 durch α-Strahlung (q = 20) eine Energie von 2,58 J. Berechnen Sie die Äquivalentdosis.
3.6 Der Zerfall von Pu-238 führt zu einem Isotop der Uran-Radium-Zerfallsreihe.
In dieser Reihe kann das Isotop Radon-222 (Rn-222) über zwei Schritte zu einem Isotop des Elements Astat (At) zerfallen. Stellen Sie die beiden angegebenen radioaktiven Zerfälle in einem beschrifte- ten A-Z-Diagramm dar:
Rn → Po → At
3.7 Begründen Sie die besondere Lage der Isotope eines chemischen Elements
in einem A-Z-Diagramm.
Lösungsvorschlag Physik Haupttermin Atom- und Kernphysik B3 Lösungen entsprechend dem Unterricht 3.1 Die Positionierung auf entgegengesetzten Seiten der Sonde gewährleistet den größt-
möglichen Abstand, um ... die empfindlichen Messinstrumente vor einer Beschädigung durch die energierei-
che radioaktive Strahlung der Plutoniumbatterie zu schützen. eine mögliche Verfälschung der Messwerte durch die emittierte radioaktive Strah-
lung zu verhindern.
3.2 Pu94238 → U92234 + He24 + Energie K
3.3 t = T ⋅ log0,5 (m(t)m0 ) t = 87,7 a ⋅ log0,5 ( 3,40 kg3 ⋅ 4,50 kg) t = 174 a E
Im Jahr 2151 wird sich die Masse des Plutoniums auf 3,40 kg verringert haben.
3.4 Aufenthaltsdauer minimieren Abschirmung optimieren Aufnahme in den Körper vermeiden Abstand vergrößern (durch den Einsatz geeigneter Werkzeuge)
3.5 D = Em D = 2,58 J75 kg D = 34 mGy E
H = D ⋅ q H = 34 mGy ⋅ 20 H = 0,68 Sv
3.6
K
3.7 Die Isotope eines chemischen Elements besitzen die gleiche Anzahl an Protonen (Z), aber verschieden viele Neutronen (A - Z). Sie liegen deshalb senkrecht übereinander.
E K
120 Minuten
wieder aufzuladen, können spezi- elle Rucksäcke mit integriertem Solarmodul genutzt werden.
4.1.1 Nennen Sie jeweils einen Vor- und
Nachteil eines solchen Solarruck- sacks im Hinblick auf die mobile Energieversorgung.
4.1.2 An einem Sommertag bescheint die Sonne den Solarrucksack mit einer Strah-
lungsleistung von 0,90 kW pro Quadratmeter. Zeigen Sie durch Rechnung, dass in diesem Fall die Nutzleistung für das La- den mithilfe des oben dargestellten Solarmoduls 9,7 W beträgt.
4.1.3 Mithilfe des Solarmoduls wird einem Smartphone eine elektrische Energie von
16 Wh zugeführt. Berechnen Sie die Dauer dieses Ladevorgangs.
4.1.4 Bei der Strahlung der Sonne spricht man von einem primären Energieträger.
Erläutern Sie die Begriffe primärer und sekundärer Energieträger.
4.2.0 Der jährliche Energiebedarf für die
Heizung und die Warmwasserbe- reitung eines Einfamilienhauses (A = 130 m2) beträgt 66 kWh pro Quadratmeter Wohnfläche. Hierfür wird ein Heizkessel für Holzpellets (Pelletsheizung) ver- wendet.
4.2.1 Beschreiben Sie die dort stattfin-
denden Energieumwandlungen.
4.2.2 Bei der Verbrennung eines Kilogramms Holzpellets in der Heizungsanlage
( = 0,95) wird eine Energie von 17,3 MJ frei. Berechnen Sie die für die Heizung und die Warmwasserbereitung jährlich be- nötigte Masse an Holzpellets.
4.2.3 Begründen Sie, warum Heizen mit Holzpellets im Gegensatz zum Heizen mit
Gas als CO2-neutral bezeichnet werden kann.
Solarmodul:
Smartphone:
Wärme- tauscher
Lösungsvorschlag Physik Haupttermin Energie B4 Lösungen entsprechend dem Unterricht 4.1.1 Vorteile: Unabhängigkeit von netzgebundenen Lademöglichkeiten (z. B. über
eine Steckdose) CO2-neutrale Umwandlung von Solarenergie in elektrische Energie Aufladungen sind kostenfrei
B K
Nachteile: Abhängigkeit von Tageszeit und Witterung (bzgl. Sonneneinstrah-
lung)…